[논문 리뷰] Universal control and error correction in multi-qubit spin registers in diamond

T. H. Taminiau, Julia Cramer외 3명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 21.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 31인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심의 전자스핀을 제어 및 읽기 인터페이스로 사용하여 다중 큐비트 핵스핀 레지스터에서 보편적 제어와 양자 오류 수정을 구현한다. 동적 보정된 마이크로파 펄스 시퀀스를 활용함으로써, 약한 결합을 가진 탄소-13 핵스핀에서 고정밀 단일 및 이중 큐비트 게이트를 달성하였으며, 고체 상태 스핀을 사용한 처음으로 실험적으로 실현된 삼큐비트 양자 오류 수정 프로토콜을 가능하게 하여, 부패하기 쉬운 핵스핀을 신뢰할 수 있는 양자 자원으로 전환시킨다.

ABSTRACT

Quantum registers of nuclear spins coupled to electron spins of individual solid-state defects are a promising platform for quantum information processing. Pioneering experiments selected defects with favourably located nuclear spins having particularly strong hyperfine couplings. For progress towards large-scale applications, larger and deterministically available nuclear registers are highly desirable. Here we realize universal control over multi-qubit spin registers by harnessing abundant weakly coupled nuclear spins. We use the electron spin of a nitrogen-vacancy centre in diamond to selectively initialize, control and read out carbon-13 spins in the surrounding spin bath and construct high-fidelity single- and two-qubit gates. We exploit these new capabilities to implement a three-qubit quantum-error-correction protocol and demonstrate the robustness of the encoded state against applied errors. These results transform weakly coupled nuclear spins from a source of decoherence into a reliable resource, paving the way towards extended quantum networks and surface-code quantum computing based on multi-qubit nodes.

연구 동기 및 목표

• 강한 초합성 스핀 결합이 필요하지 않은 고체 상태 스핀 시스템에서 다중 큐비트 레지스터 제어의 확장 가능성을 높이기 위해 두 큐비트 이상의 보편적 제어를 달성하는 것.
• 이전에는 부패의 원인이 되던 약한 결합을 가진 핵스핀을, 양자 정보 처리를 위한 안정적이고 일관된 양자 자원으로 전환하는 것.
• 개별 고체 상태 스핀을 사용하여 완전한 양자 오류 수정 프로토콜을 실현하고, 적용된 오류에 대한 고장내성(fault tolerance)을 입증하는 것.
• 강한 초합성 스핀 결합이나 직접적인 핵스핀 제어를 요구하지 않는 전자스핀 매개 제어 기법을 개발하는 것.

제안 방법

• 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심의 전자스핀을 주변 핵스핀의 제어 및 읽기 플랫폼으로 활용한다.
• 조건부 동역학을 통해 핵스핀에 대한 보편적 단일 및 이중 큐비트 게이트를 수행하기 위해 (τ−π−2τ−π−τ)N/2 형태의 마이크로파 펄스 시퀀스를 사용한다.
• 각 스핀의 고유한 초합성 상호작용에 맞추어 펄스 간 간격 τ를 조절함으로써 개별 핵스핀을 선택적으로 제어하고, 스핀 축 및 회전 각도 제어를 가능하게 한다.
• 전자스핀 상태 준비 및 상태 전달을 통해 핵스핀을 초기화하고, 2 μs 레이저 펄스를 이용해 전자스핀을 재초기화함으로써 핵스핀 균형을 유지한다.
• 전자스핀의 일관성을 보호하고 핵스핀을 환경 노이즈로부터 분리하기 위해 동적 분리 시퀀스를 적용하여 효과적인 일관성 시간을 연장한다.
• 람버그 간섭측정 및 핵스핀 에코 측정을 통해 빛 조명 하에서의 일관성 시간과 상실 속도를 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 초합성 상호작용이 필요하지 않은 고체 상태 시스템에서 약한 결합을 가진 다수의 핵스핀에 대해 보편적 제어를 달성할 수 있는가?
• RQ2 전자의 스핀 제어와 마이크로파 펄스만을 사용하여 핵스핀에 대해 고정밀 단일 및 이중 큐비트 게이트를 실현할 수 있는가?
• RQ3 다이아몬드 내 개별 고체 상태 스핀을 사용하여 삼큐비트 양자 오류 수정 프로토콜을 실험적으로 실현할 수 있는가?
• RQ4 반복적인 전자스핀 초기화 및 읽기 사이클 동안 핵스핀의 일관성이 유지되는가?
• RQ5 환경의 변동성과 부패는 이 플랫폼에서 다중 큐비트 양자 레지스터 성능을 어느 정도 제한하는가?

주요 결과

• 전자스핀 일관성 시간 T_coh는 2.86(4) ms로 측정되어, 뚜렷한 부패 없이 장기간의 게이트 시퀀스를 수행할 수 있다.
• 핵스핀 에코 일관성 시간 T_2는 핵스핀 1에 대해 5.9(8) ms, 핵스핀 2에 대해 9(1) ms로 측정되어 장수명의 양자 일관성이 있음을 나타낸다.
• 레이저 조명 하에서의 핵스핀 위상 손실 시간 T_2*는 핵스핀 1에 대해 51(7) μs, 핵스핀 2에 대해 350(90) μs로 측정되었으며, 이는 2 μs 전자 재초기화 시간보다 현저히 길다.
• 레이저 조명 하에서의 핵스핀 완화 시간 T_1는 핵스핀 1에 대해 2.5(3) ms, 핵스핀 2에 대해 1.2(2) ms로 측정되어 제어 사이클 중 최소한의 균형 손실이 있음을 확인한다.
• 1.8 ms 양자 오류 수정 프로토콜의 추정 정밀도는 F_est = 0.64이며, 프로세스 정밀도 F_p,est = 0.46로 실험 관측 결과와 일치한다.
• 오류 수정 프로토콜 내 10개의 핵스핀 게이트 평균 정밀도는 약 0.94로 측정되어 고정밀도 게이트 작동을 확인한다.